UH25型开关电磁阀控制特性研究

蒋廷松

(湖南科技学院 电子工程系，湖南 永州 425199)

0 引 言

在线混药式变量喷雾技术可根据作物病虫害种类、程度、时期等参数，实现喷雾自动变量控制[1]。目前，变量喷雾主要采用预混药方式，通过改变喷雾压力[2,3]或脉宽调制（PWM）[4,5]改变阀的开闭时间比来控制施药量；Ghate S R等采用注入式喷药[6,7]，该方式虽然采用实时混药式施药，却采用开环控制，不能根据作物对药液浓度的需求进行变量喷雾，缺乏实时混药浓度信息。根据作物信息进行在线混药并实时改变药液浓度的喷雾方法基本没有得到采用，其原因之一是农药的流量过小，难以进行检测和控制。文献[8-10]介绍采用机电流量阀来控制药的流量实现变量喷雾，该阀能连续控制药的流量，控制精度也能基本达到要求，但是，机电流量阀采用电动机带动阀轴旋转来控制流量，其实时性和动态性能不够理想，低端控制稳定性较差[10]。一些文献对电控泵油嘴[11~13]进行流量控制，但并不适合微流量控制。汽车电控喷嘴是一种频率范围较宽线性较好的电磁阀，主要用于汽车发动机喷油，因其流量较小，可用于在线混药式变量喷雾控制农药的流量。本文采用汽车电控喷嘴作为开关电磁阀来控制药液流量，为此本文对其线性度、频率特性、死区与饱和区（动态范围）、温度影响进行测试，以获得最优控制性能。

1 实验装置与材料

1.1 试验所用的元件与设备

本文主要研究的对象是UH25型汽车电控喷嘴，如图1所示。其它设备包括电子秤（型号：BL-2200H，规格：2200g/0.01g），恒温水箱（自制），单片机控制板。测试用流质为水，电子秤主要用于测量单位时间内流出的水的质量；水箱的功能是为电控喷嘴提供一个压力恒定的水源；单片机控制板的作用是控制开关电磁阀驱动信号的参数，其中包括设置脉宽占空比、脉冲频率和测试时间。

图1.开关电磁阀实物图

1.2 实验装置与方法

实验装置如图2所示，由水箱、进水管、电控喷嘴、烧杯和电子秤等组成，水箱悬挂在高处，为电控喷嘴提供一个恒压水源，上游水面高出喷嘴 2.4m；电控喷嘴在单片机控制板的控制下工作，实现对液体的通断控制，单片机板控制电控喷嘴的脉宽占空比、工作频率和单次测试时间，当改变脉冲占空比或频率时，流过喷嘴的流量发生变化。脉宽占空比由0%-100%按1%步进调节，脉冲频率由1Hz-10Hz按1Hz步进调节，10Hz-50Hz按5Hz步进调节，单次测试时间设定在40s。

实际过程中，让水箱上端进水管以适当的水流流入，始终保持水箱溢水管有一定的水量溢出，以确保水箱液面的高度恒定。在每一次测试过程中，用单片机控制板选择电控喷嘴的脉冲频率和占空比，设置单次测试的时间，用一只烧杯收集在这一定时间内由喷嘴流出的水量，用电子秤称量每次烧杯收集水的质量，用以计算当次测试电控喷嘴的流量，改变脉宽占空比或脉冲频率重复测试。

图2.试验装置示意图

2 实验测试

2.1 PWM控制特性试验

PWM控制特性测试是在固定频率时，改变脉宽占空比，在恒定压力时研究喷嘴流量与占空比的关系，然后改变频率重复测试。测试频率分别为2，4，6，8，10，15，20，25，30，35，40，45，50Hz等13个点。在某一确定频率时，脉宽占空比（PWM）由5%至100%每次按5%步进完成实验，每次测试40s。为了便于区分图中数据点，仅对2Hz、10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz六个频率的数据进行绘制，部分频率的数据如表1和图3所示。

表1.在不同频率时喷嘴流量与占空比的关系

85 0.775 0.747 0.715 0.680 0.651 0.635 90 0.824 0.794 0.762 0.732 0.715 0.706 95 0.869 0.842 0.817 0.806 0.804 0.928 100 0.918 0.931 0.936 0.935 0.935 0.935

对前面所提到的2Hz-50Hz，13个频率点所测得的数据进行分析可知，除死区和饱和区外，在恒定压力下，流量与脉宽的占空比成线性关系，R2=1，且在相同占空比时，随着频率增加的流量下降，如图3所示为。

图3.流量与占空比的关系

2.2 频率特性试验

电控喷嘴频率特性测试是确定脉宽占空比（PWM）不变，改变脉冲频率，测试压力恒定时喷嘴流量与脉冲频率的关系。脉宽占空比选择30%、50%和80%三种进行实验，频率由1Hz-50Hz改变，1-10Hz，10-50Hz分别以1Hz和5Hz步进。

图4.电控喷嘴的频率特性

分析上图可知，在压力不变的条件下，当脉宽占空比相同时，随着频率的增加喷嘴的流量成线性下降，不同占空比的斜率（K≈-0.0032）几乎一致。

2.3 死区与饱和区测试

电控喷嘴和别的电磁阀一样，受到工作频率和脉冲宽度影响，当脉冲频率较高时，脉宽占空比过大或过小电磁阀都将无法动作。在某一频率下，脉宽占空比过小阀不能被打开，称为死区，脉宽占空比过大阀不能被关闭，称为饱和区。下面频率在1Hz-10Hz，10-50Hz分别以1Hz和5Hz步进，对电控喷嘴在死区最大占空比和饱和区最小占空比进行测试，结果如表2所示。

表2.不同频率时的死区与饱和区

由表2可知，在1Hz时，没有死区和饱和区，占空比在0%-100%之间为线性区；50Hz时，占空比在0%-25%之间为死区，占空比大于94%为饱和区，占空比在25%-94%之间为线性区，随着频率增加，死区和饱和区变宽，线性区变窄。脉冲频率在10Hz以下时，死区与饱和区较窄，线性区范围较宽，但频率较低，用于非实时性流量控制较佳；脉冲频率20Hz以上时，死区范围较宽，动态范围较窄，不便于控制。综合考虑以上因素，在线混药式变量喷雾选取10Hz-20Hz之间的脉冲频率来控制电控喷嘴较为理想。

2.4 温度特性测试

由于液体具有粘性，且液体粘性受温度影响较大，在相同条件下，液体的温度对流过电控喷嘴的流量有一定影响。在恒压的条件下，选取脉冲频率为10Hz，当水温为14℃和24℃时进行测试，数据如表3所示。

表3.温度特性测试数据表Table 3 Test on temperature characteristic

由表3可知，当流质的温度增加时，相应占空比的流量略有增加，但增加量甚小，当温度变化在 10℃左右时可以忽略温度影响。

3 结 论

本文通过实验测试对开关电磁阀的特性进行试验研究，为在线混药式药液流量控制提供参考。

（1）在线性区和恒定压力下，电控喷嘴的流量与脉宽占空比成线性关系，R2=1。

（2）在恒压的条件下，当脉宽占空比相同时，随着脉冲频率的增大电控喷嘴的流量线性下降，斜率K≈-0.0032，不同占空比的下降率几乎一致。

（3）随着频率增加，电控喷嘴的死区与饱和区变宽，线性区和动态范围变窄。

（4）随着温度增加，相同占空比的流量略有增加，但变化量很小，温度变化在10℃以内可以忽略。

综上所述，用开关电磁阀控制小流量液体可行，综合考虑电控喷嘴的动态范围和变量喷雾混药的实时性，选取10Hz-20Hz的脉冲控制药液流量较好。

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